ELEKTRON
SPEKTROSKOPİ METODLARI
Elektron spektroskopi yüzeyin elektronik yapısını
inceler. Böylece numunenin yayınlanan ikincil elektronlarının enerji
spektrumunun analizi elde edilir. Genellikle yüzeyin fotonlar veya elektronlar
ile bombardımanıyla ikincil elektronlar oluşturulur (diğer parçacıklarda
kullanılıyor,örneğin;iyonlar veya atomlar, fakat nadiren ). Elektron
spekroskopi 5-2000eV aralığında yüzeydeki ikincil elektronların enejilerini
analiz eder. Elektron spektroskopinin yüzey duyarlılığı, katılarda kuvvetli
alan içindeki elektronların enerjiyle dağılmasını durdurur.
Şekil 5.1 Farklı metaryaller için fermi seviyenin altındaki
enerjilerin bir fonksiyonu gibi,
elektronların esnek olmayan ortalama serbest yolunun deneysel
verilerinin toplamı.
Şekil 5.1’de elektronun esnek olmayan ortalama serbest
yol değerlerinin elektronun kinetik enerjisine bağlı bir grafiği görülür.
Verilen değerlerde esnek olmayan ortalama serbest yola bağlı bütün enerji ve
metaryal büyüklükleri birkaç A° düzeyindedir ve en uygun enerji aralığında
(≈20-200eV) 10 A°’dan azdır.
Elektron
Spektroskopi teknolojisinin kullanıldığı başlıca yüzey analizleri;
Auger Elektron Spektroskopi (AES)
Kayıp Elektron Enerji Spektroskopi (EELS)
Fotoelectron Spektroskopi (PES)
PES’de, ikincil elektronlar fotonların yüzeye
gönderilmesiyle oluşur. AES ve EELS’de, yüzey elektronlar ile bombardıman
edilmektedir. İkincil elektron enerji dağılımı hesaba katıldığında, AES ve EELS
arasındaki fark açıkça görülür.
Auger
Electron Spektroskopi (AES)
Auger Elektron Spektroskopi (AES), Auger
elektronlarının enerjilerinin ölçülmesiyle çok ince yüzey tabakasının kimyasal
bileşen analizi için çok yaygın olarak kullanılan bir teknolojisidir. Bu yöntem
1960’dan sonra geliştirildi. Fransız fizikçi olan Pierre Victor Auger,
(1899-1993) 1920’nin ortalarında ilk kez düşünceyi ortaya çıkarmıştır.
Fiziksel İlkeler
Şekil5.5’de Auger metodunun ilkesi sistematik olarak
tanımlanmaktadır. Primer elektron, 2-10keV aralığında bir enerji alarak bir
boşluk oluşturur ve her iki elektronda atomdan ayrılır. Örnek olarak; Şekil
5.5(a)’da K kabuğundaki bir elektronun yerdeğiştirmesi ile meydana gelen
iyonizasyon gösterilir. Bu boşluk, L1 denilen daha yüksek yatay
seviyedeki bir elektron ile doldurulur.Uyarılmış atom, çok uyarılmış hal
içindedir ve Şekil 5.5(a) ve (b)’de gösterildiği gibi iki yoldan biri ile
hızlıca daha düşük enerji durumuna döner;
Auger Yayma
(radyoaktif olmayan geçiş)
(x-ray)
Florans Işınım (radyoaktif geçiş)
Floresans Işınım ve Auger Yayılımı iki şıktan biridir.
Düşük enerji geçişleri için (E<500eV) ,özellikle parlak elementlerde
,floresans ışınım (x-ışnı) önemsenmeyecek kadar az (ihtimal edilebilir) oluşur
ve bu sebepten Auger yayılımı tercih edilmektedir. Sadece 2000 eV civarında
yaklaşık olarak Auger enerji verimi ile karşılaştırılabilir x-ışını üretimi
oluşur.
Auger metodu, başlangıçta bir boşluk ve sonuçta ise
iki boşluğu içine alır ve her ikiside uyarılmış haldir. Geçiş toplam üç
elektronu içine almaktadır ve auger geçişlerinin periyodik tablodaki tüm
elementler için oluşabileceğini ifade eder.
Şekil 5.5: (a) ve (b),silikon örneğindeki,rekabet halindeki iki
yolun enerji dağılımının sistematik diyagramının hacmidir. KL1L2,3
geçişinde () Auger elektronun enerjisi yaklaşık 1591 eV ve X-ışını fotonunun
enerjisi () 1690 eV (c) L2,3VV Auger geçişi için sistematik diagramdır.
Auger geçişini terimlendirmek için X- ışınının yüzey
notasyonu ve yüzeyler arasındaki yansımalar kullanılır.Örneğin; Şekil 5.5a’da
gösterilen geçiş KL1L2,3 geçişi şeklinde
tanımlanabilir.Katı da valans bant elektronları içinde bir Auger süreci meydana
gelirse atomik yüzey notasyonu çoğukez V sembolü ile değişir.Örneğin;Şekil 5.5c
L2,3VV Auger geçişini gösterir
Auger
Elektronun Enerjisi:
Bir Auger geçişi aslında başlangıçtaki ilk boşluğun ve
sonraki iki boşluğun yeriyle tanımlanıyor. Böylece Şekil5.5a’da gösterilen
örneğimiz için çıkan elektronun kinetik enerjisi EKLL seviyelerin
bağlanma enerjilerinden hesplanabilir.
(5.3)
Burada ve 
metalin iş fonksiyonudur.
Denklem (5.3) yaklaşık bir hesaptır, son yayılım bir
iyondan oluşur nötr atomdan değil. Bu
durum gözönünde bulundurulmadığından (5.3)’ün yaklaşık bir sonuç olduğuna
dikkat ediniz.
AES
DENEYSEL DÜZENEĞİ
AES’nin standart teçhizatı;
*Elektron Tabancası,
*Enerji Analizörü,
*Elektronik bilgi işlemcilerinden meydana gelir (Şekil
5.6)
Elektron tabancası 1-5 keV enerji aralığında primer
elektron demeti oluşturur. Auger elektron spektroskopi için çok yaygın olarak
kullanılan enerji analizörleri; silindirik ayna, yarım küre ve dört-ızgara’dır.
Şekil 5.6 Sıkca kullanılan Auger Elektron
Spektroskopisi için deneysel düzeneğinin sistematik diagramı:(a) silindirik
ayna analizörü (CMA analizörü,iç silindir içersinde entegre bir elektron
tabancası ile iki tip evre gösterir) ve (b) dört-ızgara geciktirme alanı
analizörü (LEED-AES aracı ) Dört-ızgara analizörü N(E) modunda ve silindir ayna
analizörü dN(E)/dE modunda olduğu taktirde spektrum bandı içindeki esnek
modülasyon sonuçlarından (senkron) eşzamanlı w frekansı ortaya çıkar.
Tipik olarak, birbiriyle ilişkili küçük Auger
sinyallerinin gerçek ikincil elektronları bir üst düzeye (yüksek bir arka plan)
yerleşir (elektronlar çarpmayla enerji
kaybına uğrar). Geniş arka planda durdurulur ve bu sayede görünür pik artar.
Auger spekturumu genellikle dN(E)/dE türev moduyla hesaplanır.
LEED-AES arcındaki iki iç ızgara veya CMA içindeki
diğer silindire küçük bir bozucu voltaj 
uygulandığında enerji analizinin
modülasyonuyla ayrım oluşur ve çıkış sinyali eşzamanlı (sekron) ortaya çıkar.
Bu durumda toplam akım;
(5.4)
dır. Ayrıca dN(E)/dE
spekturumuyla CMA ile w frekanslı çıkış sinyali, LEED-AES aracılığı ile
2w frekanslı çıkış sinyali oluştuğu
belirlenebilmektedi.
Şekil 5.7:Vakum odasında üretilen Si(100) N(E) ve dN(E)/dE deneysel Auger
Spekturumu.. Sağdaki tabloda N(E) ve dN(E)/dE deneysel Auger spektrumu üst üste
konularak zayıf Auger pikinin farkının sistematik diagramı gösterilir. dN(E)/dE
spektrumunun türevinden elde edilen minumum enerjinin EA’nın,
N(E)’nin max. eğiminde oluştuğuna dikkat ediniz.
AES ANALİZİ
Genel
Bilgi:
Auger elektron yayınlandığından beri, nötr atom
vericinin doğrudan doğruya kinetik enerjiyle alakasını çok iyi tarif
edebilmektedir. Auger piklerinin enerji durumlarından temel hüvviyet belirlemek
mümkündür. Auger elektron enerjileri yaygın olarak periyodik tablonun tüm
elementleri için tabaka halindedir ve Şekil 5.8’de haritası
çıkarılmıştır.Ayrıca Auger Spektrumu atomların kimyasal birleşimi hakkında
kesin bilgi içermektedir.
Elektronun bağlanma enerjisi atomun içinde bulunduğu
kimyasal şartların değişmesiyle değişir ve valans banttaki elektron
yoğunluğunun da yeni dağılımı oluşur. Bu değişimler Auger pik durumunun
değişimini ve pik şeklini yansıtmaktadır. Bununla beraber, Auger yöntemiyle
alakalı üç elektron durumu bu verilerin nicel izahına mani olur.
AES’in diğer uygulamaları Auger haritasını ve Auger
niteliğinin derin analizini içerir. Auger harıtası ile bir elementin uzaysal
dağılımından numune yüzeyi belirlenebilmektedir. Elektron demetiyle numunenin
inceden inceye, Auger pikinin yoğunluğunu izleyerek, bir Auger haritası elde
edilir.
Gelen elektron demetinin odakta oluşmasında kullanılan
elektronların bir primer demet olması faydalıdır, böylece uzaysal çözüm 10
nm’den aşağıdadır. Numunenin alaşım derinliğinin AES ile püskürtülen iyon
demetinin birleştirilmesiyle oluşturulabilinir. Auger piklerindeki
parçacıkların yoğunluğu püskürtme zamanının bir fonksiyonu ile gözlenmektedir.
Yoğunluk derecesi derinliğe göre zaman derecesini ve alaşımı
değiştirebilmektedir
.
Genellikle; AES’nin kayıpsız bir metod olduğu
düşünülmekteysede birkaç örnek; uyarılmış elektron süreci; mesela;uyarılmış
elektronun despersiyonu (yüzeyde salınım) veya hedefin ısnması ile, istenmeyen
yanetkiler ortaya çıkarabilir.
Şekil 5.8
NİCEL
ANALİZ
Auger Elektron Spekturoskopi nicel analize imkan
verir. Örneğin; Auger yoğunluğu ölçümlerine dayanarak yüzey üzerindeki belirli
tür atomların numaraları hesaplanabilmektedir. i. bir atom için Auger akımının
( Ii ) genel denklemi yazılırsa;
Denk.5.5
ifadesi elde edilir.
Burada;
Ip , Ep enerjili primer elektron
demetinin yoğunluğu
, Ep
enerjili elektronlar ile çekirdeğin K seviyesinin kesit iyonlaşması
, KLM Auger geçişi ile
gevşeme olasılığı
( 1+ ri ) ,geri saçılım faktörü olarak
adlandırılır ve primer elektronların geri saçılım etkisinin hesabı içindir.
Exp (-z/
i (EKLM)cos
, z’de Auger elektronlarında kayıp sızıntı olmama
olasılığını hesaplar.
T , enerji analizörünün iletim karakteristliğidir.
(5.5) integrasyonu 
ve z üzerindendir.
(5.5) ifadesi AES sinyal yoğunluğuna yardımcı faktörlerin genel bir örneğidir
ve tercihen de uygun formül olması için pratikliğe ihtiyacı vardır.
AES’nin eksiklikleri aşağıda verildiği gibidir ;
1. Bir parçacık sisteminin pek çok fonksiyonunun tam
değerleri (örneğin; 
) mevcut değildir.
2. Formül mutlak akım ölçümleriyle alakalıdır ve
uygulamaya uygun değildir.
3. Genelde, numune türleri için atomun ni(z)
dağılımı bilinemez ve z üzerinden integrallenemez..
Homojen AB
ikili Materyali:
Bu kısımda; ni(z), (i=A,B) sabit alınarak
(5.5) ifadesini z üzerinden integralliye biliriz. Sonra , A ve B elementleri
için 
, 
faktörlerinin
kullanılmasıyla Auger yoğunlukları oranı (5.4) gibi yazılabilir;
(5.6)
burada 
ve 
, A ve B için atomik
hacim, 
ve 
ise A ve B’nin küçük
atomik parçacıklarıdır
(5.7)
B Alt Tabakası Üzerine A Metaryal Tabakasının
Oluşturulması;
kalınlığına sahip tek
şekilli tabaka (Şekil 5.9a),
şeklinde ifade edilir. Sonra bu şartlar altında (5.5)
ifadesinin z üzerinden integrasyonu ve bazı hesaplamalarla;
Denk.
(5.8) ve (5.9)
elde edilir.
Şekil 5.9b’de gösterildiği gibi, A metaryal
tabakası sürekli değildir fakat bir 
yüzey bölümü kaplanır,
(5.8) ve (5.9) ifadelerindeki exponansiyel terimler sırasıyla 
ve {
olmak üzere değişir. Son söylenen denklemlerin uygulamaları
tabaka tabaka ayrılır.